«Вы можете использовать свой iPhone семь или восемь часов без подзарядки, может быть, в день», — говорит Реза Шахбазян-Яссар, доцент кафедры машиностроения в Мичиганском технологическом университете. «Для многих из нас этого недостаточно. Полностью электрический автомобиль, такой как Nissan Leaf, может проехать до 100 миль на одной зарядке. Чтобы привлечь внимание массового рынка, он должен проехать около 300 миль.
Мы хотим увеличить мощность этих систем ".Чтобы выжать из литий-ионных аккумуляторов больше энергии, ученые экспериментируют с различными материалами и конструкциями. Однако важное действие в батарее происходит на атомарном уровне, и практически невозможно узнать, что именно происходит в таком масштабе. Теперь Яссар разработал устройство, которое позволяет исследователям подслушивать отдельные ионы лития и потенциально разрабатывать батареи следующего поколения.
Батарейки довольно простые. Они состоят из трех основных компонентов: анода, катода и электролита между ними. В литиевых батареях ионы лития перемещаются между анодом и катодом, когда батарея разряжается и снова заряжается. Аноды литий-ионных аккумуляторов обычно изготавливаются из графита, но ученые тестируют другие материалы, чтобы увидеть, могут ли они прослужить дольше.
«Как только литий попадает в электрод, он вызывает напряжение в материале, что в конечном итоге приводит к поломке», — сказал Яссар. «Вот почему многие из этих материалов могут содержать много лития, но в конечном итоге они быстро разрушаются.«Если бы мы могли наблюдать эти изменения в главном электроде, особенно на самой ранней стадии зарядки, мы могли бы придумать стратегии для решения этой проблемы».Десять лет назад о наблюдении на атомном уровне легких элементов, таких как литий или водород, не могло быть и речи. Однако теперь можно увидеть легкие атомы с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с коррекцией аберраций (AC-STEM).
Команда Яссара смогла использовать один в Иллинойском университете в Чикаго, где он является приглашенным доцентом.Чтобы определить, как изменяется электрод-хозяин при попадании в него ионов лития, команда создала нанобатарею в микроскопе AC-STEM, используя новый многообещающий электродный материал, оксид олова или SnO2. Затем они наблюдали, как он заряжается.
«Мы хотели отслеживать изменения в оксиде олова на самой границе движения литий-иона внутри электрода SnO2, и мы это сделали», — сказал Яссар. «Мы смогли наблюдать, как отдельные ионы лития попадают в электрод».Ионы лития двигались по определенным каналам, когда они втекали в кристаллы оксида олова, вместо того, чтобы беспорядочно проходить в атомы хозяина.
Основываясь на этих данных, исследователи смогли рассчитать деформацию, которую ионы прикладывали к электродам.Это открытие вызвало запросы от промышленных предприятий и национальных лабораторий, заинтересованных в использовании его способностей к атомному разрешению в своих собственных разработках батарей.«Это очень интересно, — сказал Яссар. «Существует так много вариантов электродов, и теперь у нас есть этот новый инструмент, который может точно сказать нам, что с ними происходит.
Раньше мы не могли видеть, что происходит; мы просто гадали».Статья об исследовании «Наблюдение за фронтом реакции литиирования в наноразмерных материалах SnO2 в атомном масштабе» была опубликована в Интернете 3 июня в ACS Nano.
Помимо Яссара, соавторами являются аспирант по машиностроению Хасти Асаеш-Ардакани и научный сотрудник Анмин Ни из Michigan Tech; Ли-Йонг Ган, Инчун Ченг и Удо Швингешлогл из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы, Саудовская Аравия; Цяньцзинь Ли, Цечжоу Донг и Тао Ван из Чжэцзянского университета, Китай; и Фарзад Машайек и Роберт Кли из Иллинойского университета в Чикаго.